加工中心自动换刀装置的设计【开题报告】
加工中心自动换刀装置的设计
加工中心自动换刀装置的设计课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏加工中心自动换刀系统 1前言随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业中起着愈来愈重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加[1]工。
人们一直寻求各种方式，提高加工中心的加工效率。
如提高进给与移动速度、提高主轴转速、加大主轴电机功率、加大切削用量、采用高质量刀具等。
在高节拍多次换刀的加工过程中，缩短换刀时间，可大大提高生产效率。
国内外加工中心生产厂家都投入大量的资金和精力，研制自动换刀装置，以缩短换刀时间，提高工作效率和竞争力。
自动换刀装置是专门为大中型加工中心配套，实现其刀具储备及自动交换功能的重要功能部件，是高档加工中心和重型加工中心的重要组成部分。
其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。
自动换刀装置的换刀速度和可[2]靠性，是数控机床系统先进与否的一个重要标志。
2、自动换刀系统的组成[2,3,5]自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。
一般来说，刀库容量可大可小，其装刀数量在20,180把之间。
刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。
当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。
完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。
具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。
[4]驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压(或气液机构)或凸轮机构组成。
机械手完成刀库里的刀与主轴上的刀的交换工作。
由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。
所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。
加工中心自动换刀装置结构设计
加工中心自动换刀装置结构设计[摘要]本论文完成的是立式加工中心盘式刀库的传动设计、结构设计以及机械手部分的传动设计、结构设计。
盘式刀库在数控加工中心上应用非常广泛，其换刀过程简单，总体结构简单、紧凑，定位精度高。
刀库传动部分采用蜗轮蜗杆减速装置，可提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。
刀库满载装刀16把，采用单环排列方式放置。
本次设计中的机械手采用单臂双手式机械手，可以同时完成插刀和拔刀动作，结构简单，换刀时间短。
机械手传动部分采用一个液压升降缸和液压回转缸带动花键轴，进而带动机械手的运动。
[关键词]立式加工中心；盘式刀库；机械手；自动换刀装置Automatic tool changer structural design of machiningcentersAbstractwhat finished in this paper is drive design, structural design and the power transmission parts design of disc tool magazine in vertical machining center. This tool magazine is widely applied in NC machining center. And the process of changing tools is simple, short change time , high precision, simple and compact of structure, reliable, easy maintenanced and low cost. The transmission part of this tool magazine adopts gear reducer. The design of worm gearbox device can improve the stationarity of output shaft, namely, increasing the operation stability and smooth transmission properties of tool magazine.Transmission device of tool magazine adopts a adjusting sleeve to eliminate the transmission clearance of worm.This tool magazine can load 16 cutting tools which are arranged with monocylic and according to the principle of nearby to choose the right tool. The manipulator of this design is the manipulator with one arm and pair of hands.The advantage of this manipulator is that it can complete the action of inserting tool and pulling out the tool at the same time,simple structure and short change time. Mechanical transmission part adopts a hydraulic lift cylinder and hydraulic cylinder drives the spline shaft rotation, thus drive the motion of the manipulator.Key wordsV ertical machining center; Disc tool magazine; Manipulator; Automatic Tool Changer毕业论文﹙设计﹚任务书一、毕业设计题目加工中心自动换刀装置结构设计二、毕业设计工作自_ 2012 年__11_ 月__19 _日起至 2013 _年 6 月_10 _日止三、毕业设计进行地点: 校内四、毕业设计内容要求：随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。
CNC机床加工中的自动化刀具更换系统设计
CNC机床加工中的自动化刀具更换系统设计自动化技术在现代制造业中起到了至关重要的作用，它不仅提高了生产效率，还降低了人工操作的错误率。
而在CNC机床加工领域，自动化刀具更换系统的设计对于提高加工效率和操作安全性具有重要意义。
本文将针对CNC机床加工中的自动化刀具更换系统进行详细探讨。
一、系统结构设计1.1 刀库设计自动化刀具更换系统的核心是刀库，刀库应该能够容纳不同类型和规格的刀具，并能够实现快速、准确的刀具更换。
在设计刀库时，需要考虑以下几个方面的因素：- 刀具类型和规格的多样性：根据不同的加工需求，刀库应该能够容纳不同类型和规格的刀具，包括铣刀、钻头、铰刀等。
- 刀具的编号和管理：为了方便操作和管理，每个刀具应该有唯一的编号，刀库系统应该具备刀具编号的功能，并能够根据编号进行快速查询。
- 刀具的保护和整理：刀具在刀库中应该得到良好的保护，避免因碰撞等原因造成损坏。
此外，刀库系统应该具备整理功能，能够根据刀具使用情况，自动进行整理和调整。
1.2 自动换刀装置设计自动换刀装置是实现自动化刀具更换的关键部件，其设计应该具备以下功能：- 快速换刀：自动换刀装置应该能够在短时间内完成刀具的更换和固定，以提高加工效率。
- 准确对位：自动换刀装置应该能够准确对位，并保证刀具与工件之间的位置关系不变，确保加工精度。
- 安全可靠：自动换刀过程中应该具备安全保护装置，避免操作人员受伤或设备损坏的情况发生。
二、系统控制设计2.1 控制策略设计自动化刀具更换系统的控制策略应该能够实现刀具更换的自动化和智能化。
可以采用以下控制策略：- 人机交互界面：通过人机交互界面，操作人员可以实时掌握刀具库存情况、刀具使用寿命等信息，并进行相应的操作。
- 智能化刀具管理：系统应该具备智能化的刀具管理功能，能够根据加工需求和刀具使用寿命，自动选择合适的刀具进行加工。
- 故障诊断和报警：系统应该具备故障诊断和报警功能，能够及时发现刀具损坏、刀具库存不足等异常情况，并通过报警提示操作人员。
(完整版)数控机床刀库与换刀装置设计开题报告
1
4.5---4.9
翻译外文资料，查阅相关文献
翻译外文资料
5000多字
2
4.10---4.16
确疋整体方案，进仃整体构思
完成整体结构草 图
3
4.17—4.30
进行传动功能设计，绘制草图
完成总装草图一一 张
4
5.8---5.19
优化方案，设计计算及绘制装配图
完成装配图和零 件图若干5 Nhomakorabea5.22---5.31
预期目标是达到一次换刀时间在0.8到2分钟之间，刀具重量为每把12公斤。通过这次毕业设计熟悉掌握机电产品从设计、制定方案、元器件购置、 检测、外协加工、装配和到成品的全部生产过程。
四、所需要的仪器设备、材料：
计算机及相关的绘图软件、公式编辑软件、图纸、各种绘图
五、课题分阶段进度计划：
序
号
起止日期
工作内容
完善装配图及绘制零件图
完成装配图及零 件图若干
6
6.1——6.11
最终检查，整理资料，准备答辩
完成毕业论文的 书写
7
6.12---6.14
答辩
指导教师意见:
签字:
200年 月 日
二、近年来国内外研究现状：
目前，机床的自动换刀系统主要采用单片机或PLC控制，可以正反转和 高低速控制。它通过几条与主控机的联络信号线以及系统内设置的自诊断、 自适应功能实现对换刀系统的全自动控制管理。采用高性能弹簧夹头夹持刀 具，使用外驱动机械手完成刀具的夹紧、放松，系统配置扩展型链式刀库和 刀具交换装置，整机米用电磁机械传动、PLC控制，换刀系统具有夹紧力大、
毕业设计开题报告（理工类）
设计题目
数控机床刀库与换刀装置设计（机械手转90巧
卧式加工中心换刀机械手
换刀装置作为加工中心的重要组成部分,其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间,提高生产率,降低生产成本,进而提升机床乃至整个生产线的生产力题目是中功率调频无线电发射机设计以前没写过这方面的论文给个格式也行最好有范文做个例子希望写过的学长学姐给点指点小弟在这里先谢大家了开题报告一、设计题目卧式加工中心的机械手升降机构二、课题研究的目的、意义在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：1)以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本2)以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故3)可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势三、国内外现状和发展趋势工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备工业机械手的是工业机器人的一个重要分支它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工不可缺少的装置,主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组成机械手和驱动装置是两个关键部分,根据驱动装置的不同,自动换刀装置可分为凸轮式、液压式、齿轮式、连杆式及各种机构复合式,其中以凸轮式用得较多发达国家数控加工中心的立式自动换刀机械手主要采用凸轮式,我国加工中心技术起步较晚,对自动换刀机械手研究较少进入20世纪90年代后,北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一机床厂、青海机床厂以及陕西省的秦川机床厂都对立式自动换刀机械手进行了研究和开发迄今为止,我国制造的加工中心配置的自动换刀机械手大多数是进口的其主要原因：一是国内生产的换刀机械手质量较差,成本也不低；二是进口换刀机械手价格虽然较高,但在整个加工中心中所占份额不大作为加工中心的配套技术,自动换刀机械手的研究和开发将直接影响到我国自动化生产水平的提高,从经济上、技术上考虑都是十分必要的立式换刀机械手和卧式换刀机械手已得到广泛应用20世纪90年代以来,数控加工技术得到迅速的普及和发展,数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用,它能缩短产品的制造周期,提高产品的加工精度,适合柔性加工加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备,由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用,其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置(A u2tomat ic Too lChanger)加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置,其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键加工中心的换刀过程较为复杂,动作多,动作间的相互协调关系多,因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低四、研究内容及方案拟定各已知的参数和要求如下：①机械手装置的行程：1260mm；②机械手重：m1=40kg；③刀具的最大质量：m2=10kg；④机械手的回转及装卸刀具装置质量：m3=200kg；⑤换刀时间：t1=3s；⑥刀具的升降时间：t2=6s机械手基本形式的选择：常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种：(1)直角坐标型机械手；(2)圆柱坐标型机械手；(3)球坐标(极坐标)型机械手；(4)多关节型机械手其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,能够较容易地实现凸轮轴加工机床的运动要求(5)机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成(6)机械手的工艺流程：机械手原位→机械手前伸→机械手上升→机械手抓取并夹紧→机械手后退→机械手前进(小车)→小车停止→机械手左转90°→机械手前伸→机械手松开→机械手后退(小车)→机械手下降→机械手右转90°→小车后退→退至原位控制系统的选择：1.考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.2.国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P 型可编程序控制器3.气动机械手的工作流程如下：(1)当按下机械手启动按钮之后，首先立柱右转电磁阀通电，机械手右转，至右限位开关动作(2)立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作(3)手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作(4)手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作(5)立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作(6)手爪抓紧电磁阀通电，手爪抓紧，至限位开关动作(7)立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作(8)手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作(9)手腕收缩电磁阀通电，手腕收缩，至限位开关动作(10)立柱左转电磁阀通电，机械手左转，至左限位开关动作(11)手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作(12)手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作(13)立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作(14)手爪松开电磁阀通电，手爪松开，至限位开关动作(15)手腕收缩电磁阀通电，手腕收缩，至限位开关动作完成一次循环，然后重复以上循环动作按下停止按钮或停电时，机械手停止在现行的工步上，重新启动时，机械手按上一工步继续工作电动机的选择：本系统采用110BF反应式步进电机为执行元件,其步距角为每步0.75o,整个控制系统硬件组成如图：步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件,广泛应用于工业控制系统中其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例,通过改变电脉冲频率可在大范围内进行调速；同时,该电机还能快速启动、制动、反转和自锁；此外,步进电机易于实现与计算机或其它数字元件接口,适用于数字控制系统步进电机通电相序的方向控制以软件代替环形脉冲分配器,实现对相序的直接控制,各相脉冲输出由并行口直接控制,将控制字(步进电机各相通断电顺序)从内存中读出,然后送到单片机并行口中输出,从而实现步进电机的正、反转使用这种方案不仅简化了系统的硬件线路,降低了成本,而且还可以根据控制系统的需要,灵活地改变步进电机的运行方式采用三相六拍步进电机,电机正转时通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A；反转时的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A 此外,控制进给脉冲的频率,改变单片机输出端口状态代码(输出字)之间的间隔时间,即可调整电机的转速,实现刀盘的加速-恒速-减速之间的转换,从而缩短换刀时间,提高换刀效率应收集的资料及参考文献：⑴金属切削机床与数控机床张俊生主编1994年8月第一版⑵数控机床的结构与传动北京航空学院机械加工教研室编1977年9月第一版⑶数字控制技术与数控机床杨有君主编1999年10月⑷实用数控机床技术手册1993年8月第一版⑸现代数控机床结构设计王爱玲主编1999年9月⑹现代数控机床毕承恩丁乃建等1991年12月第一版⑺试谈数控机床加工中心的结构设计机械制造出版社1994年1月五、进度安排1、2010.3.1~3.14毕业设计调研，完成科技译文及开题报告；(科技译文不少于3000汉字)2、2010.3.15~6.6完成总体设计、零部件设计、控制电路设计等；(完成4张零号图，要求CAD出图；具体落实到每个人内容有所不同，时间段相同)3、2010.6.7~6.20完成设计(论文)说明书(40~60页，要求打印)；4、2010.6.21~6.25评审、答辩(给出成绩及评语，注意答辩时间2010年6月15--20日，请在15日前完成所有任务)六、参考文献1.《机械设计手册》(1-5卷)徐灏主编机械工业出版社2.《简明实用机械手册》(第二版)上海市机械工程学会编机械工业出版社3.《汽车构造(下册)》陈家瑞主编机械工业出版社4.《机械设计图册》成大先主编化学工业出版社5.《机械设计》(第六版)西北工业大学濮良贵、纪名刚主编高等教育出版社6.《机械制造装备设计》冯辛安主编机械工业出版社7.《现代机构手册》(上、下册)孟宪源主编机械工业出版社8.《机械设计常用元器件手册》(上、下册)刘仁家等编机械工业出版社9.《机床课程设计指导书》吉林工业大学机床教研室宋在明陶永兰编1997.2 10.《几何量公差与检测》(第三版)甘永立主编上海科学技术出版社11.《新编液压工程手册(上,下册)》雷天觉北京理工大学出版社回答者：tangyu5266|二级采纳率：13%。
机电专业加工中心自动换刀装置的结构及控制设计
加工中心自动换刀装置的结构及控制设计摘要加工中心正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，这类多工序加工的加工中心在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，也就是所说的刀库，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。
本设计是开发设计出一种体积小、结构紧凑、价格较低、生产周期短的小型立式加工中心刀库。
首先介绍了国内外加工中心研究现状及发展趋势，阐明了本课题研究的目的、意义。
然后进一步介绍本加工中心刀库总体结构和各部件方案的选择，并在此基础上进行了加工中心刀库的机械结构和控制部分的设计计算，主要包括刀库转动定位机构设计、刀库总体机构设计、机械手部分设计以及液压、PLC的控制设计。
关键词：刀库；机械手；液压控制；PLC控制AbstractWith the direction of One machining center can manufacture several process only by one fixing .These manufacture needs different toolings , so it have to have automatic switching system. It means the machine have to own a tooling storeroom. Then it can select different tooling to finish different process during manufacture.This design is to develop design a small volume, compact structure, low price, short production cycle of small vertical machining center tool library. First introduced the processing center research status and development trend at home and abroad, illustrates the this topic research purpose and meaning. Then further introduces theoverall structure and parts machining center tool storage scheme choice, on the basis of the machining center tool library of mechanical structure and control part of the design and calculation, mainly including library rotational positioning design, knife library overall organization design, mechanical parts and hydraulic design, PLC control design.Keywords: Knife library, Mechanical, Hydraulic control, PLC control.目录摘要 (1)Abstract (1)目录 (2)第1章绪论 (5)1.1国内外的研究现状和发展趋势 (6)1.1.1当前世界NC机床的研究现状 (6)1.1.2我国数控机床产业的发展状况 (7)1.1.3我国数控机床研究存在的问题 (13)1.2加工中心简介 (9)1.2.1加工中心的发展简史 (9)1.2.2加工中心的结构组成 (10)1.2.3加工中心的分类 (11)1.2.4加工中心的功能及特点 (17)1.2.5加工中心的发展动向 (19)1.3自动换刀系统产品化的意义和前景 (22)1.4本设计研究的目的和意义 (25)1.5本设计完成的主要工作 (25)第2章总体方案的设计 (26)2.1运动方案的设计 (26)2.1.1运动数目的确定 (26)2.1.2运动方案的确定 (26)2.2功能部件的设计方案 (23)2.2.1主传动系统 (23)2.2.2进给伺服系统 (30)2.2.3自动换刀系统 (28)2.2.4基础部件 (30)2.2.5数控系统 (30)2.2.6辅助装置 (31)2.3方案的分析论证及确定 (31)2.3.1 机械结构方案的提出 (31)2.3.2传动方案的提出 (31)2.3.3机械结构方案的可行性分析 (32)2.3.4传动方案的可行性分析 (32)2.3.5机械结构方案的确定 (33)2.3.6传动方案的确定 (33)2.4总体布局 (34)2.5主要技术参数 (34)第3章刀库的设计 (40)3.1刀库简介 (40)3.1.1 刀库的类型 (40)3.2刀库的结构设计 (42)3.2.1刀库主要参数的确定 (42)3.2.2刀库转动定位机构的设计 (39)3.2.3刀库主轴的设计 (41)3.2.4刀库转动电机的选择计算 (45)3.2.5滚动轴承的选择计算 (51)3.2.6键的选用与计算 (53)3.2.7刀库的支承部分的设计 (53)第4章机械手的设计 (51)4.1确定换刀机械手形式 (51)4.1.1单臂双爪机械手的结构及工作原理 (52)4.2机械手的结构设计 (54)4.2.1齿轮的设计计算 (54)4.2.2机械手轴的设计计算 (57)4.2.3滑动轴承的选型计算 (61)第5章自动换刀装置的液压控制设计 (62)5.1液压传动系统简介 (63)5.1.1液压传动系统的组成 (63)5.1.2液压传动系统的结构 (63)5.1.3液压传动系统的控制原理 (64)5.2自动换刀装置的液压系统原理图 (64)5.2.1自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程 (65)5.3 执行元件的选型计算 (65)5.3.1液压缸的计算 (65)5.4动力元件的选型 (72)5.4.1液压泵的选型 (72)5.5 控制元件的选型 (72)5.5.1方向控制阀的选型 (73)5.5.2流量控制阀的选型 (73)5.5.3控制元件的计算结果 (73)5.6 辅助元件的选型 (73)5.6.1管道的选型计算 (73)5.6.2管接头的选型 (70)5.6.3 过滤器的选型 (70)5.6.4 油箱的选型 (70)5.7 工作介质的选择 (71)5.7.1 液压油的选择 (71)第6章自动换刀装置的PLC控制设计 (72)6.1 PLC概述 (72)6.1.1 PLC简介 (72)6.1.2 PLC的主要特点 (72)6.2 PLC控制设计 (72)6.2.1 机械手控制系统PLC的选择 (72)6.2.2 机械手的工作流程 (73)6.2.3 机械手自动换刀系统的原理 (73)6.2.4 工步时间分配 (74)6.2.5 PLC的硬件I/O单元 (74)6.2.6 PLC的硬件I/O接口原理图 (75)6.2.7 PLC的控制流程图 (76)6.2.7 PLC的梯形图 (81)6.2.8 指令表 (82)结论............................................. 错误！未定义书签。
卧式加工中心自动换刀机械手设计开题报告 (141)
2、撰写开题报告第8周
3、总体设计第9周
4、部件装配图设计，撰写毕业设计说明书，英文翻译，第10、11、12、13周
5、整理毕业设计资料，交指导教师评阅第14周
6、准备答辩第15周
7、答辩第16周
指导教师意见
2006年4月14日
注：本表由学生填写，指导教师审核
河南工业大学
毕业设计（论文）开题报告
学院：机电工程学院
题目
卧式加工中心自动换刀机械手设计源自国内外研究现状据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种的加工中心自动换刀领域。目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，其手臂灵活性最形式大，可以使换刀卡爪的空间位置和姿势调至任意状态，满足换刀需求。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。德国的CLOOS、REIS、KUKA公司；瑞典的ABB公司、奥地利的IGM公司、意大利的CAMAU公司。日系有OTC、Panasonic、FANUC公司作的比较好。从机器人技术发展趋势看，自动换刀机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。
设计思想及准备
用PLC控制的卧式加工中心自动换刀机械手设计及它的驱动装置
拟解决的主要问题
该设计方案采用独特的结构设计，具有操作方便，效率高，制造成本低等优点。
拟研究的主要内容
参照设计项目要求及技术指标确定机械手结构设计和驱动装置所要选用等技术参数，确定结构方案，绘制部件装配图及主要零件图纸。
进度安排
「数控机床的自动换刀装置设计」
「数控机床的自动换刀装置设计」一、需求分析数控机床的自动换刀装置主要用于在加工过程中自动更换刀具，以适应不同的加工任务和实现多种加工工艺的自动化。
因此，自动换刀装置的设计要满足以下需求：1.快速准确的刀具更换：自动换刀装置需要能够在短时间内完成刀具的更换，且保证更换的准确性。
2.高效的自动化控制：自动换刀装置需要与数控系统实现自动化控制，能够根据加工任务自动选择合适的刀具。
3.安全可靠的操作：自动换刀装置需要具备安全可靠的设计，避免因操作失误导致的事故发生。
二、设计原则在自动换刀装置的设计过程中，需要遵循以下原则：1.结构简单、紧凑：自动换刀装置需要满足空间限制，尽可能小巧紧凑，以适应各种机床的安装条件。
2.操作方便、人性化：自动换刀装置的控制操作要简便易懂，方便操作人员进行操作和维护。
3.刀具固定牢固可靠：刀具在加工过程中会受到较大的切削力和振动力，因此自动换刀装置需要确保刀具固定牢固，以保证加工精度和工件质量。
三、设计方案基于上述需求和设计原则，设计了一种数控机床的自动换刀装置。
该装置的设计主要包括以下几个部分：1.刀库设计：刀库是存放刀具的地方，需要设计合理的刀具存储位置和刀具取放机构。
刀库可以采用旋转式或者移动式，既可以满足换刀的快速性，又可以满足复杂工艺下的多种刀具存储需求。
2.自动换刀机构设计：自动换刀机构用于完成刀具的取放。
可以采用伺服电机或气动执行器控制换刀机构的运动，实现快速精确的换刀动作。
3.刀具固定设计：刀具在切削过程中会受到较大的力，需要采用可靠的夹持装置将刀具固定在主轴上。
常用的刀具固定装置有机械夹紧和磁力夹持装置，可以根据具体的加工需求选择合适的装置。
4.控制系统设计：自动换刀装置需要与数控系统实现自动化控制，根据加工任务自动选择合适的刀具。
控制系统可以采用PLC或者单片机进行控制，通过传感器检测刀具状态，并发送信号控制换刀动作。
5.安全设计：自动换刀装置需要具备安全可靠的设计，可以在换刀过程中检测到异常情况，如刀具松动或擦伤等，并及时采取安全保护措施，避免事故的发生。
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开题报告
机械设计制造及其自动化
加工中心自动换刀装置的设计
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
加工中心是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。
由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床3倍～4倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。
1958年，美国卡尼，特雷克公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。
该产品出现后，销路惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。
如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有1000多个品种规格。
未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。
加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。
随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。
然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。
为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。
在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置（Automatic Tool Changer,简称ATC），而自动换刀装置的好坏，将直接影响加工中心的好坏，从目前情况看，加工中心的主机部分基本定型，变化不大，但自动换刀装置种类繁多，五花八门，是最难搞好
的部分。
它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。
因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手这部分更是如此。
刀库的形式和容量主要是为满足机床的工艺范围，目前常见的刀库类型如下：（1）盘式刀库此刀库结构简单，应用较多。
此换刀装置的优点是结构简单，成本较低，换刀可靠性较好，缺点是换刀时间长，适用于刀库容量较小的加工中心上采用。
（2）链式刀库此刀库结构紧凑，刀库容量较大，链环的形状可根据机床的布局制成各种形状，也可将换刀位突出以便于换刀，能充分利用机床的占地空间，通常为轴向取刀，位置精度较低，造价也较高。
（3）格子箱式刀库结构紧凑，刀库空间利用率高，换刀时间较长。
布局不灵活，通常刀库安装在工作台上，应用者较少。
（4）直线式刀库刀库容量少，一般在十几把左右，多用于自动换刀数控车床，钻床上也有采用。
目前常见的换刀机械手类型有：①单臂单手式机械手结构较简单，换刀各动作均需顺序进行，时间不能重合，故换刀时间较长。
②双手式机械手向刀库还回用完的刀具和选取新刀，均可在主轴正在加工时进行，故换刀时间可较短。
③回转式单臂双手机械手这类机械手可以同时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具。
与单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。
应用最广泛，形式也较多。
④多手式机械手使用者较少。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题
在确立数控机床的设计技术规范时，应该考虑专业市场上的供求情况、顾客潜在的选择，从有关商业文献中获得竞争产品所能达到的技术要求、价格等因素，最后再根据所要求的数控机床性能来确定自动换刀装置的设计技术要求。
所研究的主要内容有：
1、掌握加工中心的基本结构、工作原理；
2、刀库、换刀机械手结构设计；
3、刀库电机的选择及计算；
4、绘制装配图、零件图。
研究所考虑的设计基本原则是：结构简单、价格低廉、容易制造，拆卸、装配、维修方便，配件容易得到等。
三、研究步骤、方法及措施
1、查阅有关的立式加工中心自动换刀装置文献或资料，掌握立式加工中心的基本结构。
2、刀库的结构设计
刀库的作用是储备一定数量的刀具，通过机械手实现与主轴刀具的交换。
本课题中刀库采用盘型刀库结构，根据刀库中储存刀具的数目和最大刀具直径计算出盘式刀库的最小直径，相邻刀具间应留有一定间隙。
3、换刀机械手结构设计
本课题研究采用的是单臂双手式机械手，亦叫扁担式机械手。
这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由油缸动作来完成。
根据结构要求，可以采取油缸动，活塞固定；或活塞动，油缸固定的结构形式。
而手臂的回转动作，则通过活塞的运动带动齿轮齿条来实现。
机械手臂的不同回转角度，是由活塞的可调行程来保证。
图1单臂双手式机械手
4、传动部分设计
（1）利用单头蜗轮蜗杆实现刀库的旋转，此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙，实现准确的转位分度，保证刀库工作的可靠性。
相比之下，槽轮机构具有冲击小，工作平稳性高，机械效率高，可在较高转速下工作，结构简单等优点，但定位精度不够高。
图2 刀库传动结构简图
（2）利用伺服电机实现蜗轮蜗杆的传动。
5、刀库电机的选择
1）按负载转矩选 加在伺服电动机轴上的负载转矩L T 应比电动机额定连续转矩S T 小。
圆盘式刀库负载转矩计算方法 这种刀库的负载转矩1T 主要来自刀具重量的不平衡。
计算方法有两种：
① 用平均重量的刀具插满圆盘的半个圆，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀
具的平均重量CP W ，而其重心则设定为离刀库回转中心2/3半径处。
② 将三把最重刀挨在一起，按加工中心规格规定的最大刀具重量max W 计算，而其重心
则设定为离刀库回转中心半径处。
如下图所示：
把如上计算的负载转矩转换为电动机轴上的转矩L T 的公式为：L T =1T /（η⋅i ） 式中i —传动比 η—传动效率
考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电机额定转矩S T 应为负载转矩的1.2～1.5倍，亦即(1.2~1.5)S L T T >
2）按加速时的最大转矩选 加速时的最大转矩T 包括加速转矩a T 和负载转矩L T ，即T >a T +L T ，加速转矩a T 按下式计算：)60/()(2a m L a t J J n T +=π（N •m ）
式中n —刀库选刀时电动机转速（r/min ）a t —加速时间，通常取150~200ms m J —电动机转子惯量，可从样本中查到（2N m s ••）L J —负载惯量折算到电机轴上的惯量
加速时的最大转矩T 应小于电机的最大转矩max T ，即T<max T
3)校验 检验计算结果是否满足下列关系式L J <m J ，选用能满足上述三项条件的伺服电机。
图3 圆盘式刀库刀具分布
6、机械手换刀过程
①刀套下转90°②机械手转75°③刀具松开 ④机械手拔刀 ⑤交换两刀具位置 ⑥机械手插刀 ⑦刀具夹紧
⑧机械手反转75° ⑨刀套上转90°换刀过程如下：。